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国产多光束集成丝光同轴激光定向能量沉积技术问世
材料来源:3D打印技术参考           录入时间:2024/1/31 17:01:44

激光定向能量沉积技术兼顾效率、成本、质量,适用于中大型构件增材工程应用场景。南理工与英尼格玛强强联合,共同研发了高性价比的多光束集成丝光同轴激光定向能量沉积技术,填补该项技术国内空白。目前已完成整套装置的原型开发、制造、调试,正式进入实测和迭代优化阶段。这标志着我国在这一领域已取得重要突破,有望在未来实现自主可控的产业化应用。

激光定向能量沉积

定向能量沉积(Directed Energy Deposition, 简称DED)是增材制造技术7大标准分类之一,亦是当下工业级金属增材制造的主流技术之一。DED的工艺原理是利用聚焦热将材料同步熔化沉积(GB/T35021-2018),可依据所采用的热源不同,细分为激光定向能量沉积(DED-LB)、电弧定向能量沉积(DED-Arc)、电子束定向能量沉积(DED-EB)。

其中,采用激光作为热源,可以更精准的控制热输入从而提升增材精度,实现更复杂的几何形状,包括各种内部空腔结构和细节的增材制造。同时激光工艺过程更稳定,飞溅和爆破更少,从而减少缺陷的产生。相对于电弧成本低、精度低和电子束效率高、成本高的特点,激光定向能量沉积具备兼顾效率、成本、质量的前景。另一方面,由于激光无需考虑材料的导电特性,因此激光增材材料不仅可以选择金属,还可以选择陶瓷、塑料等非金属,也为复合材料的增材难题提供了解决思路。     

激光定向能量沉积技术,又可依据所采用的材料形式不同,细分为激光送粉和送丝两类。相比于送粉增材制造,送丝具有更高沉积速率和低气孔缺陷倾向的优势,同时由于材料利用率更高、原材料成本更低从而整体加工成本更低,因而更适用于中大型构件增材工程应用场景,具有更大的商业化价值。

然而,早期的激光熔丝增材研究多采用传统激光焊接采用的旁轴送丝形式,虽然加工平台易于搭建,但在增材制造场景下,一方面存在扫描方向性和受热不均匀性等问题,难于满足沉积层尺寸和性能在各方向的一致性,另一方面成形路径复杂多变时,送丝方向与扫描方向相位关系的保持依赖于结构设计,增大了成形控制系统的复杂性。因此,解决丝光同轴问题是激光定向能量沉积技术发展必须攻克的技术难点。

丝光同轴技术路线选择

01 光内or光外

实现光粉同轴,总体思路分为光内、光外两种。然而送丝与送粉不同,由于丝材直径较大、激光光斑较小,无法实现将多束丝送至同一光斑内熔化。因此实现丝光同轴,多采用光内同轴技术。

 

02 分光束or多光束

光内同轴送丝,即是采用“光包丝”的光丝耦合方式,实现光束中空、丝路居中的光内送丝。

早期光内同轴送丝的思路,是采用一束激光分三光束再将光斑拼接形成环状分布。这一技术近年来逐渐发展成分环形光束光内同轴技术,可以有效的将材料与光束同轴地送到融化区域,光束轮廓呈中空环形,并直接聚焦到丝材和工件表面之间的交汇区域处。

然而,实现分环形光束光内同轴需要依赖非常复杂的镜组设计,导致设备硬件投入及维护成本直线飙升,与中大型构件增材工程应用场景所追求的低加工成本相悖,依旧制约着激光定向能量沉积技术的广泛应用。因此,具有更高性价比的多光束集成光内同轴技术应运而生。

03 多光束集成光内同轴技术

如西班牙Meltio公司,依托多光束集成光内同轴技术开发的核心产品包括Meltio M450小尺寸工业金属3D打印机和Meltio引擎,首次将激光定向能量沉积系统成本降至10万欧元级别,其产品一经问世即对国外增材市场格局造成重大影响,成立4年时间即达成销售近300台套的抢眼战绩,一跃成为DED领域的头牌,足见市场对这一技术的认可。

然而,目前在国内,并没有相关企业可以提供同类技术的产品。而因一些原因,该技术的引进也存在障碍。2021年Meltio公司曾一度表示计划在中国建设展示中心,而在2022年末,再与Meltio公司接洽得到的回复就变成了:“暂无在中国市场进行销售的规划。”在中国增材市场形势大好的局面下,这一态度转变背后的原因可想而知。

填补国内空白

为打破多光束集成光内同轴技术被国外企业垄断和封锁的格局,2022年末由南京理工大学智能焊接与电弧增材技术团队牵头,与国内定向能量沉积增材领域领军企业南京英尼格玛工业自动化技术有限公司强强联合,开始布局多光束集成丝光同轴激光定向能量沉积技术的装备研发。历时1年,现已完成整套装置的原型开发、制造、调试,正式进入实测和迭代优化阶段。

该套设备包括机器人、激光同轴装置、水冷装置和电控柜,通过电控柜上的控制装置和路径切片软件IungoPNT,来实现模型的增材成形。

其中,核心的激光同轴装置采用多光束集成丝光同轴技术,实现近似环形光斑拼接,同时通过更简洁的镜组设计,可以大幅降低硬件造价和维护成本;实现直立式结构形式,相较于分环形光束常见的L型和Z型结构,更利于机器人集成,在复杂结构增材场景中具有更高的灵活性;同时,实现光束独立控制功率、波形,为工艺控制提供更多灵活性。

使用该设备进行不锈钢增材测试,路径选择窄道薄层的弓字形,表面较为光洁,纹路无明显宏观缺陷。

通过Tardis IGNIS熔池相机观察并记录,过程稳定,无飞溅。

直线往复增材测试-激光DED-熔池

目前,该套设备能满足长时间连续稳定增材,包括稳定的激光出光和操作界面各种参数实时调节的准确性。

圆柱增材测试-激光DED

而通过Tardis IGNIS熔池相机,能观察到在优化的工艺参数下,熔滴过渡为液桥过渡,材料熔覆沉积的情况良好,过程稳定。

在优化的工艺参数下,其增材件的表面纹路较为细腻,外壁表面粗糙度可达Ra6.3~12.5。

未来,项目团队将持续对该系统进行测试和迭代,相信在不远的将来,自主可控的成熟产业化产品就会走向市场,或将为国内增材行业拓展新方向,让我们拭目以待。

文章来源:3D打印技术参考

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